ทัศนศาสตร์เป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาแสงและปฏิกิริยาระหว่างแสงกับสสาร โดยครอบคลุมพฤติกรรมและคุณสมบัติของแสง รวมถึงปฏิกิริยาระหว่างแสงกับวัสดุและโครงสร้างของเครื่องมือที่ใช้หรือตรวจจับแสง ทัศนศาสตร์เป็นรากฐานของหลายสาขา เช่น ดาราศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ การถ่ายภาพ และวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับการมองเห็น
แสงเป็นรูปแบบหนึ่งของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มองเห็นได้ด้วยตามนุษย์ มันทำหน้าที่เป็นทั้งคลื่นและเป็นอนุภาค ซึ่งเป็นแนวคิดที่เรียกว่าความเป็นคู่ของอนุภาคและคลื่น แสงมีลักษณะเป็นคลื่นโดยมีความยาวคลื่น ( \(\lambda\) ) และความถี่ ( \(f\) ) ซึ่งสัมพันธ์ผกผันกับความเร็วแสง ( \(c\) ) ผ่านสมการ \(c = \lambda \cdot f\) เนื่องจากอนุภาค แสงประกอบด้วยโฟตอนซึ่งมีพลังงาน
การสะท้อนกลับ เป็นกระบวนการที่แสงสะท้อนจากพื้นผิว กฎการสะท้อนระบุว่ามุมตกกระทบ ( \(\theta_i\) ) เท่ากับมุมสะท้อน ( \(\theta_r\) ) สามารถแสดงเป็น \(\theta_i = \theta_r\)
การหักเหของแสง คือการโค้งงอของแสงเมื่อแสงผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งโดยมีดัชนีการหักเหของแสงต่างกัน กฎของสเนลล์อธิบายปรากฏการณ์นี้ และกำหนดโดย \(n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2)\) โดยที่ \(n_1\) และ \(n_2\) เป็นดัชนีการหักเหของแสงของสื่อ และ \(\theta_1\) และ \(\theta_2\) คือมุมตกกระทบและการหักเห ตามลำดับ
เลนส์และกระจกเป็นอุปกรณ์เกี่ยวกับการมองเห็นที่ควบคุมแสงผ่านการสะท้อนและการหักเหของแสงเพื่อสร้างภาพ เลนส์ เป็นวัตถุโปร่งใสที่มีพื้นผิวโค้งหักเหแสง พวกมันสามารถมาบรรจบกัน (เน้นรังสีของแสง) หรือแยกแสง (กระจายรังสีของแสง) ขึ้นอยู่กับรูปร่างของมัน ความยาวโฟกัส ( \(f\) ) ของเลนส์เป็นตัววัดว่าเลนส์มาบรรจบกันหรือแยกแสงได้แรงแค่ไหน และคำนวณโดยใช้สูตรของผู้สร้างเลนส์ \(\frac{1}{f} = (n-1)\left(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}\right)\) โดยที่ \(n\) คือดัชนีการหักเหของวัสดุเลนส์ และ \(R_1\) และ \(R_2\) คือรัศมีความโค้งของพื้นผิวเลนส์
ในทางกลับกัน กระจกเงา เป็นพื้นผิวสะท้อนแสง อาจเป็นแบบแบน (กระจกระนาบ) หรือแบบโค้ง (กระจกทรงกลม) กระจกโค้งยังสามารถเป็นแบบมาบรรจบกัน (กระจกเว้า) หรือกระจกโค้ง (กระจกนูน) ความยาวโฟกัสของกระจกทรงกลมกำหนดโดย \(f = \frac{R}{2}\) โดยที่ \(R\) คือรัศมีความโค้งของกระจก
การเลี้ยวเบน คือการโค้งงอของแสงรอบๆ มุมของสิ่งกีดขวางหรือรูรับแสง มันแสดงให้เห็นธรรมชาติของคลื่นของแสง และจะสังเกตเห็นได้ชัดเจนที่สุดเมื่อขนาดของสิ่งกีดขวางหรือรูรับแสงเทียบได้กับความยาวคลื่นของแสง รูปแบบการเลี้ยวเบนสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร \(\sin(\theta) = \frac{m\lambda}{d}\) โดยที่ \(m\) คือลำดับของค่าสูงสุด \(\lambda\) คือความยาวคลื่น และ \(d\) คือความกว้างของรอยตัด
การรบกวน เป็นปรากฏการณ์ที่คลื่นตั้งแต่สองคลื่นขึ้นไปมาซ้อนทับกันจนเกิดเป็นคลื่นผลลัพธ์ที่มากกว่า ต่ำกว่า หรือแอมพลิจูดเท่ากัน การรบกวนเชิงสร้างสรรค์เกิดขึ้นเมื่อคลื่นอยู่ในเฟส ซึ่งนำไปสู่แอมพลิจูดสูงสุด ในขณะที่การรบกวนเชิงทำลายเกิดขึ้นเมื่อคลื่นอยู่นอกเฟส ซึ่งนำไปสู่ค่าต่ำสุด รูปแบบการรบกวนจากสองรอยแยกสามารถอธิบายได้โดย \(\Delta y = \frac{\lambda L}{d}\) โดยที่ \(\Delta y\) คือระยะห่างระหว่างขอบสว่าง \(L\) คือ ระยะห่างจากหน้าจอ และ \(d\) คือระยะห่างระหว่างรอยแยกทั้งสอง
สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าครอบคลุมรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุกประเภท แสงที่มองเห็นเป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของสเปกตรัม และขนาบข้างด้วยแสงอัลตราไวโอเลต (UV) ที่ด้านหนึ่งและแสงอินฟราเรด (IR) ที่อีกด้านหนึ่ง สเปกตรัมมีตั้งแต่รังสีแกมมาซึ่งมีความยาวคลื่นสั้นมาก ไปจนถึงคลื่นวิทยุที่มีความยาวคลื่นยาวมาก รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าแต่ละประเภทมีการใช้ประโยชน์ ตั้งแต่การถ่ายภาพทางการแพทย์ (รังสีเอกซ์) ไปจนถึงการสื่อสารไร้สาย (คลื่นวิทยุ)
ออพติกส์มีการใช้งานมากมายในสาขาต่างๆ ในทางการแพทย์ เครื่องมือเกี่ยวกับการมองเห็น เช่น กล้องจุลทรรศน์และกล้องเอนโดสโคป ช่วยให้สามารถตรวจสอบเนื้อเยื่อได้อย่างละเอียด ในการสื่อสาร ใยแก้วนำแสงใช้หลักการของการสะท้อนภายในทั้งหมดเพื่อส่งข้อมูลเป็นพัลส์แสงในระยะทางไกล ในชีวิตประจำวัน กล้อง แว่นตา และคอนแทคเลนส์ช่วยให้เราถ่ายภาพ แก้ไขการมองเห็น และมองเห็นโลกได้ชัดเจนยิ่งขึ้น
โดยสรุป สาขาทัศนศาสตร์มีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจพฤติกรรมของแสงและปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงกับสสาร เป็นการผสมผสานแนวคิดทางฟิสิกส์ขั้นพื้นฐานเข้ากับการใช้งานจริง ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อเทคโนโลยี วิทยาศาสตร์ และชีวิตประจำวันของเรา
